[发明专利]一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用。

背景技术

光子晶体与纳米流体通道是两类在生物化学、生命科学和医疗领域中广泛研究与应用的新兴传感器。光子晶体是一种由不同折射率系数材料所组成的具有周期性的光栅结构，其中间层由相对折射率系数较高的材料所构成。根据材料、光栅周期以及光子晶体结构的不同，且因光子带隙的存在，使得光子晶体能与特定频率的光波耦合产生共振进而改变共振波的传播方向；同时，与光子晶体共振的光波能够使光栅结构的局域电场增强。光子晶体传感器利用表面光栅区域与分析物的交互作用进行检测，其特点是不对分析物进行干扰或破坏，能够依据共振波峰的偏移值来实现无标识检测。美国的Cunningham教授有利用光子晶体作为传感器进行一系列生物化学分子检测(U.S.Patent 6,990,259[P]，U.S.Patent 7,742,662[P])。纳米流体传感器具有体积小，同时表体面积比大，能促进纳米流体通道中的分析物在较短的时间内光栅的纳米流体通道内表面进行测试。近期，许多研究机构，申请了纳米流体制备的专利，并用纳米流体传感器进行生物化学分析实验(U.S.Patent 8,105,471[P])，纳米流体的相关特性使其易于进行低浓度小分子、蛋白质、基因和DNA检测，具有检测精度高和耗时少的特点

但是，光子晶体类传感器的不足之处为检测所需时间较长、极限检测浓度不高，尤其是在生物蛋白分子、抗原以及基因检测等需要分子结合的领域；同时，纳米流体通道结构的制作要求苛刻，存在制备难度大、成本高、成品率低等特点。如何高精度低成本制作出满足需求的纳米流体通道是纳米传感器发展领域的关键技术课题。同时，如何提高低浓度小分子检测精度、减少检测时间是目前光子晶体传感器领域面临的主要难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用，将光子晶体和纳米流体通道两种技术结合起来，构建出基于光子晶体结构的纳米流体传感器；将光子晶体集成于纳米流体之中，能够充分利用光子晶体与纳米流体通道的优良特性，同时检测区域限定于纳米流体通道的微观环境，能够更加精确地探测研究对象的相关特性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，该光子晶体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置的光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，所述第一折射率材料铺满所述硅晶片基底的上表面,所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层的底端面接触，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口和出流口。

优选地，所述的第一折射率材料薄膜层的厚度h₁为1μm-5μm，第二折射率材料薄膜层厚度h₂为50nm-500nm，贵金属溅镀在第二折射率材料薄膜层的上表面并使所述贵金属铺满所述第二折射率材料薄膜层的上表面，从而形成贵金属薄膜层，贵金属薄膜层厚度h₃为10nm-50nm，感光材料旋涂在贵金属薄膜层的上表面并使所述感光材料铺满所述贵金属薄膜层的上表面，从而形成感光材料薄膜层，感光材料薄膜层厚度h₄为200nm-500nm，光刻胶层厚度h₆为1μm-3μm。

优选地，所述第一折射率材料为SiO₂或SiO_xN_y。

优选地，所述聚合物材料为PDMS，PMMA或SU8胶。

优选地，所述第二折射率材料薄膜为ZnS，Si₃N₄，TiO₂，ZnO或碲酸盐玻璃。

优选地，所述第二折射率材料薄膜层可见光波段折射率系数为n_g，第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为n_l，光栅结构的可见光波段折射率系数为n_c，聚合物材料层的可见光波段折射率系数为n_up，光子晶体纳米流体传感器的有效可见光波段折射率系数为n_eff，并且它们满足如下关系：